VirtualLab Fusion入門與進(jìn)階實(shí)用教程

前言

現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)包含了不同類型的光學(xué)元件，如折射、衍射、微透鏡陣列、光柵以及全息和自由曲面等；元件尺寸的跨度可能從納米量級(jí)到米量級(jí)。同時(shí)，系統(tǒng)的光源也可能是不同的類型，如連續(xù)光源或脈沖光源、相干或部分相干光源等。有效的光學(xué)模擬需要對(duì)復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)中的光源及光學(xué)元件精確建模，從而實(shí)現(xiàn)各種光學(xué)效應(yīng)的仿真再現(xiàn)，如干涉、衍射、相干、偏振以及矢量效應(yīng)等。

現(xiàn)代光學(xué)建模技術(shù)包含了幾何光學(xué)和物理光學(xué)兩大領(lǐng)域，幾何光學(xué)以費(fèi)馬原理為基礎(chǔ)，通過折反定律來進(jìn)行光線追跡，能夠快速實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)地仿真，但忽略了衍射和矢量等波動(dòng)光學(xué)效應(yīng)；物理光學(xué)通常以求解麥克斯韋方程組為主，如使用FDTD或者FEM等通用的全局麥克斯韋仿真求解器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行求解，從而獲得完整的電磁場信息，但由于計(jì)算量大而無法對(duì)整個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

為了滿足現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的建模需求，德國耶拿大學(xué)Prof. Wyrowski Frank開發(fā)了高速物理光學(xué)仿真軟件——VirtualLab Fusion，其集成了從幾何光學(xué)到物理光學(xué)的各種建模技術(shù)，如幾何光學(xué)算子、平面波角譜法、瑞麗索墨菲算子、薄元近似和傅里葉模態(tài)法等，既能夠使用第二代場追跡或經(jīng)典場追跡，從物理光學(xué)角度進(jìn)行快速地仿真；也可以使用傳統(tǒng)的光線追跡，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。在VirtualLab中，我們根據(jù)場追跡的概念將系統(tǒng)分解成不同的區(qū)域，并選擇合適的麥克斯韋仿真求解器（建模技術(shù)）進(jìn)行求解，之后通過序列或非序列方式將各個(gè)區(qū)域連接起來，從而達(dá)到對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中求解麥克斯韋方程組的效果，以獲得完整的電磁場信息。另外，在7.3版本中我們引入了多種傅里葉變換算法，如經(jīng)典的快速傅里葉變換、半解析傅里葉變換以及幾何傅里葉變換以實(shí)現(xiàn)不同類型光場在實(shí)際域與頻率域間的快速轉(zhuǎn)換，這也進(jìn)一步提高了模擬的效率。

目前，VirtualLab Fusion的光場追跡概念正在被越來越多的高校、研究所以及企業(yè)所接受，為了滿足越來越多用戶地學(xué)習(xí)需求，訊技特推出了《VirtualLab Fusion入門與進(jìn)階實(shí)用教程》書籍，書中既包含了建模理論的介紹，又包含了大量逐步講解的實(shí)用案例，包羅了光學(xué)成像、激光傳輸、光學(xué)測量以及光束整形等領(lǐng)域。

期望通過此書，能夠幫助用戶快速地學(xué)習(xí)和掌握VirtualLab Fusion軟件，享受其為光學(xué)建模和仿真所帶來的便利與樂趣。

感謝訊技的工程師們在此書的編撰過程中所付出的努力，由于時(shí)間有限，書中難免會(huì)有不足之處，還請各位同行及用戶不吝指正。書中自帶光盤中有軟件試用安裝程序及各章的案例，有興趣讀者可依次深入研究，若有任何問題，可隨時(shí)與我們聯(lián)系。

目 錄

第一章 VirtualLab Fusion理論基礎(chǔ) 1

1.1 幾何光學(xué)和光線追跡 11.2 物理光學(xué)和光場追跡 1

1.2.1 統(tǒng)一場追跡 31.2.2 第二代場追跡 6

第二章 VirtualLab Fusion安裝與更新 102.1 VirtualLab 版本說明及系統(tǒng)配置要求 10

2.2 VirtualLab安裝與更新 112.3 安裝過程中可能遇到的問題 18

2.4 Windows高級(jí)系統(tǒng)設(shè)置推薦 222.5 C2V文件導(dǎo)出和V2C文件導(dǎo)入 23

第三章 VirtualLab Fusion快速入門 263.1 VLF圖形用戶界面介紹 26

3.2 光源 303.2.1 基本參數(shù)（Basic Parameters） 31

3.2.2 光譜參數(shù)（Spectral Parameters） 333.2.3 空間參數(shù)（Spatial Parameters） 35

3.2.4 偏振（Polarization） 373.2.5 模式選擇（Mode Selection） 38

3.2.6 采樣（Sampling） 393.2.7 光線選擇（Ray Selection） 40

3.3 光學(xué)元件 413.3.1 真實(shí)光學(xué)元件編輯對(duì)話框 41

3.3.2 球透鏡（Spherical Lens） 443.3.3 衍射光學(xué)元件（Diffractive Optical Element） 45

3.3.4 單光學(xué)界面（Single Optical Interface） 463.3.5 光學(xué)界面序列（Optical Interface Sequence） 46

3.3.6 其它類型光學(xué)元件 483.4 探測器 48

3.4.1 探測器通用界面 483.4.2 光路圖內(nèi)的探測器 50

3.4.3 諧波場和諧波場集探測器 523.4.4 數(shù)值陣列探測器 52

3.5 分析器 533.6 計(jì)算器 54

3.7 元件的位置和方向 543.7.1 光路元件 55

3.7.2 元件位置的定義 553.7.3 位置和方向確定規(guī)則 56

3.7.4 方向與位置的坐標(biāo)系統(tǒng) 563.7.5 輸出通道的方向 57

3.7.6 輸出通道的自動(dòng)方向 573.7.7 坐標(biāo)斷點(diǎn)元件 58

3.7.8 位置和方向設(shè)置 583.7.9 光路視圖（定位） 60

3.7.10 角度定義 613.7.11 基本位置/方向與獨(dú)立位置/方向的對(duì)比：移動(dòng) 63

3.7.12 基本位置/方向與獨(dú)立位置/方向的對(duì)比：傾斜 643.8 光路圖（Light Path Diagram） 64

3.8.1 新建光路圖 643.8.2 生成光路視圖&光路編輯窗口 65

3.8.3 光路視圖 663.8.4 光路編輯器 67

3.9 三種模擬引擎 703.9.1 球透鏡聚焦系統(tǒng) 70

3.9.2 三種引擎結(jié)果對(duì)比 713.10 參數(shù)運(yùn)行（Parameter Run） 73

3.10.1 創(chuàng)建參數(shù)運(yùn)行 733.10.2 參數(shù)指定界面 73

3.10.3 使用模式 743.10.4 探測器指定界面 75

3.10.5 結(jié)果界面 753.10.6 合并輸出 76

3.10.7 并行化和數(shù)據(jù)量 763.11 參數(shù)優(yōu)化（Parameter Optimization） 76

3.11.1 創(chuàng)建參數(shù)優(yōu)化 773.11.2 參數(shù)指定界面 77

3.11.3 探測器指定界面 783.11.4 參數(shù)約束窗口 78

3.11.5 通用設(shè)置窗口 783.11.6 結(jié)果界面 79

3.12 參數(shù)優(yōu)化和參數(shù)運(yùn)行的應(yīng)用 79第四章 光學(xué)成像系統(tǒng) 96

4.1 慧差的模擬 964.1.1 慧差概念 96

4.1.2 澤尼克多項(xiàng)式與塞德爾像差 964.1.3 慧差的模擬 97

4.2  F/4施密特望遠(yuǎn)鏡波動(dòng)光學(xué)分析 1004.2.1 模擬任務(wù) 100

4.2.2 模型構(gòu)建 1004.3 雙合消色差透鏡優(yōu)化設(shè)計(jì) 103

4.3.1 模擬任務(wù) 1044.3.2 模型構(gòu)建 105

4.4 包含光柵元件的成像分析 1094.4.1 系統(tǒng)描述 109

4.4.2 模型構(gòu)建 1104.5 高級(jí)PSF和MTF計(jì)算 117

4.5.1 模擬任務(wù) 1184.5.2 模型構(gòu)建 119

4.6 利用衍射透鏡校正色差 1244.6.1 模擬任務(wù) 124

4.6.2 模型構(gòu)建 1244.7 研究鬼像在準(zhǔn)直系統(tǒng)中的影響 131

4.7.1 模擬任務(wù) 1314.7.2 模型構(gòu)建 132

第五章 激光系統(tǒng) 1375.1 光束傳輸 137

5.1.1 利用物鏡對(duì)激光二極管像散光束進(jìn)行準(zhǔn)直的分析 1375.1.2 非球面透鏡后的聚焦研究 145

5.2 掃描系統(tǒng) 1565.2.1 對(duì)使用非球面透鏡的激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行性能分析 156

5.3 FS脈沖建模 1765.3.1 使用一個(gè)高數(shù)值孔徑離軸拋物面反射鏡對(duì)飛秒脈沖聚焦 177

5.4 晶體建模 1825.4.1 激光晶體中壓力誘導(dǎo)的雙折射 183

第六章 光學(xué)測量 1906.1 干涉儀模擬仿真 190

6.1.1 使用相干光的馬赫-澤德干涉儀 1906.1.2 白光邁克爾遜干涉儀 202

6.1.3 F-P干涉儀 2206.2  顯微鏡模擬仿真 228

6.2.1 高數(shù)值孔徑顯微鏡模擬仿真及研究 2286.3  單色儀和光譜儀模擬仿真 239

6.3.1 切爾尼-特納單色儀—衍射效率分析 2396.3.2 切爾尼-特納光譜儀—光譜分辨率及鈉雙譜線分析 250

第七章 光束整形 2567.1 折射光學(xué) 256

7.1.1 設(shè)計(jì)一個(gè)折射光束整形器以生成一個(gè)圓形高帽光 2567.2 衍射光學(xué) 266

7.2.1 規(guī)則分束器設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)生成及結(jié)構(gòu)導(dǎo)出 2667.2.2 將高斯光束整形成Donut模式 283

7.3 擴(kuò)散器 2947.3.1 設(shè)計(jì)一個(gè)擴(kuò)散器以生成一個(gè)INFOTEK標(biāo)志 295

7.3.2 設(shè)計(jì)一個(gè)線性擴(kuò)散器以生成線性聚焦光場 3007.4 應(yīng)用單元陣列結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光束整形 307

7.4.1 應(yīng)用棱鏡/光柵/反射鏡單元陣列對(duì)白光進(jìn)行整形 307